Sexta-feira divertida:Barbatanas impressas em 3D para pranchas de surfe

Nota do escritor:Eu trabalho na Markforged como estagiário de engenharia elétrica, e ver alguns testes de barbatanas de pranchas de surfe no escritório antes de uma viagem à Austrália me interessou em fazer barbatanas de pranchas de surfe impressas em 3D com a impressora Markforged Mark Two. Esta postagem do blog detalha o design e o teste das aletas personalizadas. -Lochie Ferrier

Sobre as barbatanas para pranchas de surfe

As pranchas de surfe nem sempre tiveram nadadeiras. Antes de 1930, os surfistas controlavam suas pranchas usando cascos extremamente convexos (pense em cascos de barco) ou arrastando os pés na água . As pranchas deslizaram durante as curvas e entalhes técnicos enquanto o surf era basicamente impossível. A invenção das nadadeiras trouxe um renascimento no surfe, com as novas nadadeiras estabilizando a guinada, amortecendo o roll e produzindo sustentação durante as curvas. Eles funcionam de maneira semelhante a uma asa de aeronave ou seção de cauda e geralmente têm uma seção transversal de aerofólio. Isso os ajuda a produzir uma quantidade máxima de sustentação com um mínimo de arrasto, em comparação a ter apenas uma seção transversal retangular.

Seção transversal de uma barbatana de prancha de surf de titânio

Uma seção transversal de asa de avião simétrica. Seu formato é extremamente semelhante ao de uma barbatana de prancha de surf.

Embora a seção transversal do aerofólio seja altamente otimizada, o formato geral da maioria das aletas apresenta uma ineficiência óbvia. As barbatanas clássicas dos golfinhos são esteticamente agradáveis, mas no geral imperfeitas para a geração de levantamento em pranchas de surfe. Na verdade, a forma ideal para qualquer asa é uma elipse. Isso ocorre porque a sustentação em uma asa é distribuída em um padrão elíptico, de modo que uma asa longa e estreita possui um fator de eficiência de amplitude muito superior do que uma nadadeira rebatida (golfinho). Uma maior eficiência de vão significa mais sustentação por unidade de arrasto ou uma aleta mais eficiente. O arrasto induzido por levantamento é causado pelo fluxo que se move da área de alta pressão sobre a superfície inferior para a baixa pressão sobre a superfície superior. Quanto mais próxima uma asa estiver de uma elipse, mais ótima será a distribuição de sustentação e menor poderá ser a asa para uma determinada quantidade de sustentação. Um bom exemplo da aplicação desta teoria é o Rutan Voyager, um avião que notoriamente circunavegou o globo sem reabastecer. Suas asas longas e estreitas eram muito mais eficientes do que qualquer outra forma, permitindo-lhes economizar combustível crítico.

O Rutan Voyager, um avião hipereficiente que empregava asas longas e estreitas para uma alta taxa de sustentação e arrasto.

Embora possa parecer que o sweepback na maioria das barbatanas das pranchas de surfe é uma questão de tecno-mimetismo aerodinâmico, as asas rebatidas dos caças e aviões de passageiros estão, na verdade, otimizando o fluxo de ar supersônico. As nadadeiras das pranchas de surfe nunca enfrentam fluxo supersônico. A única explicação real para a forma é mais prática do que científica; porque em águas kelpy, as barbatanas arrastadas para trás têm menos probabilidade de serem atoladas por algas.

Dado que a forma ideal é uma elipse, as bordas de ataque e de fuga da nadadeira de uma prancha de surfe devem ser razoavelmente retas. Esta é uma ideia que já foi bem testada antes. Se as nadadeiras não estiverem sendo usadas em uma área kelpy, essas bordas retas não são um problema.

Adicionando Winglets

Uma das maiores fontes de arrasto são os vórtices que se formam na parte inferior da barbatana. Ao adicionar pequenos winglets no fundo, o fluxo de fluido para fora da nadadeira é evitado e os vórtices prejudiciais são bastante reduzidos. Se esses winglets parecem familiares, é porque são. Mais recentemente, muitos jatos de passageiros implementaram projetos semelhantes a este para aumentar radicalmente a eficiência do arrasto.

Um gif ilustrando vórtices nas pontas das asas em um grande avião de passageiros.

A parte boa de introduzir winglets em uma barbatana de prancha de surfe é que, se feito da maneira certa, eles podem servir a duas funções. Além de reduzir o arrasto, eles também podem fornecer alguma estabilidade extra na inclinação. Isso permite que o piloto coloque os pés em uma variedade maior de posições na prancha, sem afetar o equilíbrio a ponto de a prancha derrapar ou cair. Se eles ficarem muito à frente, a prancha irá inclinar levemente o nariz para baixo e os winglets irão produzir downforce para contra-atacar, e se o cavaleiro estiver muito para trás, alguma sustentação extra será produzida. Obviamente, ainda é ideal para o motociclista ficar de pé no lugar certo, porque a superfície horizontal produz resistência extra quando isso acontece. Dito isso, a força restauradora que os winglets fornecem é uma boa rede de segurança.

CAD de aleta personalizada, os blocos na parte superior são para montagem na placa.

O conjunto de três aletas de teste foi impresso em Onyx puro sem reforço de fibra. Embora o uso de fibra para tornar as impressões mais fortes fosse tentador, o uso de Onyx puro me ajudou a imitar melhor a flexibilidade das nadadeiras de acrílico fundido. As impressões ficaram ótimas para esses recursos finos, com espessura máxima de apenas 4 mm e bordas de fuga com apenas duas camadas de espessura.

Barbatanas hidrodinâmicas impressas em Onyx.

As barbatanas foram então embaladas em uma caixa e enviadas para a Austrália para teste. As feições de duas camadas grossas nos winglets se mantiveram bem durante a viagem e não pude notar nenhuma deformação. Usei uma placa de 7 pés e 3 polegadas equipada com aletas de 120 mm de profundidade para fazer a comparação.

A configuração padrão, com nadadeiras em plástico transparente em forma de golfinho.



Barbatana ônix comparada à barbatana padrão em formato de golfinho.

As barbatanas de surf são intercambiáveis ​​usando um sistema de chave hexagonal com caixas plásticas moldadas na placa composta de fibra de vidro. Uma das caixas de barbatanas no tabuleiro estava rachada, o que afetou a curvatura.

Usando uma chave de barbatana para mudar as barbatanas. A caixa da barbatana é o corpo preto na base da barbatana.

As barbatanas da prancha de surfe impressas em 3D se ajustaram perfeitamente de acordo com as especificações, mostrando a resolução de impressão de qualidade das peças Mark Two. Agora que as novas barbatanas estavam instaladas, era hora de surfar!

Placa com aletas Onyx instaladas.

Surfando com as barbatanas

As nadadeiras foram testadas apenas em ondas de cerca de 3 pés, o que é muito pequeno para a maioria dos padrões. Comecei surfando com as barbatanas customizadas, e elas funcionaram desde o início permitindo boas curvas nas ondas. A placa também parecia muito mais estável em afinação do que no conjunto padrão. Não sou o surfista mais experiente, então minha avaliação técnica não é vinculativa; no entanto, gostei muito da sensação das novas aletas.

As barbatanas sobreviveram à primeira sessão quase sem desgaste, apesar de algumas características terem apenas 2 camadas de espessura! No entanto, havia algumas marcas onde os parafusos de fixação cravaram nos plugues de montagem.

Barbatana após a ressaca, ainda totalmente intacta.

Marque o parafuso de montagem na parte superior da aleta.

No segundo dia, notei que a barbatana na caixa das barbatanas quebradas estava solta na rebentação e, em uma inspeção mais próxima, percebi que ela havia falhado na torção. Acho que havia duas causas possíveis para essa falha. Uma delas foi que a prancha bateu no fundo após um wipeout na onda anterior, e isso causou um torque que arrancou o plugue principal. A segunda é que não apertei os parafusos o suficiente, o que foi definitivamente possível porque estava sendo cuidadoso com a caixa rachada e ela caiu naturalmente. De qualquer forma, as forças das ondas se torceram um pouco em torno da borda de fuga. Para a primeira ordem, uma onda de 10 km / h colocaria uma força de 3 kg na aleta, devido à pressão dinâmica. Isso resultaria em uma força muito alta nos blocos de raiz. Aletas quebradas são um problema comum, então seria interessante experimentar uma aleta reforçada com fibra para ver a diferença na durabilidade. A outra propriedade interessante de uma nadadeira reforçada seria que a rigidez seria ajustável, um parâmetro de design comum em nadadeiras de pranchas de surfe.

No geral, fiquei muito feliz com o desempenho das nadadeiras das pranchas de surfe impressas em 3D, elas foram um testemunho da força e resolução da impressão Onyx.

Nota do editor:também anexamos os .stls das barbatanas para que você possa baixá-los e experimentar por si mesmo! Se você estiver interessado em trabalhar conosco em projetos como este ou outros, envie-nos um e-mail para [email protected]!